Анализ электрической схемы мсб

Разработка конструкции МСБ

Анализ электрической схемы МСБ

 

Проектируемая схема формирователя опорной частоты в микроэлектронном исполнении, предназначена для использования в различных связных, телевизионных, навигационных комплексах.

Схема питается от системы, в которую устанавливается.

В схему формирователя включен кварцевый генератор с цепью обвязки. Схема имеет два идентичных выхода, для возможности подключения к ней двух потребителей опорной частоты, как правило, это приёмник и вычислительная плата.

При подключении питания необходимо соблюдать полярность.

Для питания МСБ необходимо напряжение 5 В, которое используется для питания кварцевого генератора, и питания транзисторов в выходной цепи.

В схеме используются высокочастотные транзисторы, включенные по схеме с общим коллектором (эммитерный повторитель), для того чтобы развязать по сопротивлениям выход схемы и сопротивление нагрузки кварцевого генератора.

Исходя из номиналов резисторов, целесообразно выполнить резисторы R1, R2 и R3, R4, R9, R10 навесными элементами SMD. Это позволит применять один резистивный материал для выполнения остальных резисторов, т.е. применять массовое производство плат.

Номиналы конденсаторов больше номиналов конденсаторов выполняемых в тонкоплёночном виде, поэтому конденсаторы тоже применим навесные SMD чипы, ниже подтвердим выбор расчётом.

Высокочастотные транзисторы выполняются в корпусном варианте, т. к. бескорпусные аналогичные транзисторы имеют более высокий коэффициент шумов и более высокую нестабильность частотных характеристик.

Кварцевый генератор имеет свой собственный корпус и устанавливается в корпус микросборки. Генератор имеет керамический SMD корпус 3,2 x 5 мм. Применение корпусного генератора обусловлено более высокой стабильностью выходной частоты. Условия эксплуатации генератора удовлетворяют техническому заданию.

 

Разработка топологии МСБ

 

Коммутационную схему МСБ Р402.468759.008 Э4 получают преобразованием заданной принципиальной электрической схемы, в которой все дискретные компоненты, а также электрические соединения по входу – выходу заменяются соответствующими контактными площадками.

 

Рис.5 Коммутационная схема

 

Укрупнённые контактные площадки (1х1 мм) являются внешними, все остальные – внутренними (0.5х0.5 мм). Монтаж компонентов производится с помощью пайки. Данная коммутационная схема содержит 4 внешних и 30 внутренних контактных площадок.

Для выбора типоразмера подложки необходимо рассчитать суммарную площадь, занимаемую тонкопленочными резисторами , конденсаторами , и площадь навесных элементов .

 

Все конденсаторы навесные поэтому .

Находим площадь, занимаемую контактными площадками.

Внешние контактные площадки выполняем размером 1х1 мм. Монтаж навесных компонентов производим с помощью пайки.

Контактные площадки под пайку под транзисторы выполняем размером 0,6х0,3 мм, а под генератор 1,7х1,5 мм. Контактные площадки под навесные резисторы SMD 0603 выполняем размерами 1х0,4 мм, а под навесные SMD конденсаторы 0402 – 0,6х0,3 мм, под навесной SMD конденсатор 1812 – 1х0.3 мм.

Общая площадь всех контактных площадок:

 

.

 

Расчетная величина площади подложки:

 

.

 

Выбираем типоразмер подложки №7 (Л1, табл 2.4): длина 20мм, ширина 16мм (допустимое отклонение ±0,1 мм).

В качестве материала подложки МСБ применим ситалл СТ50-1. Толщину подложки принимаем 0,5 мм.

Топология МСБ представлена в (приложении 4) данной работы. Топология изображена в масштабе 10:1 с шагом координатной сетки 0,01 мм. Элементы и компоненты располагаем как можно ближе, вход и выход пространственно развязываем.

Припуск на совмещение слоев МСБ принимаем равным 0,2 мм.

Минимальное расстояние между проводниками принимаем равным 0,2 мм.

Толщину проводников принимаем равной 0,2 мм.

Навесные компоненты приклеиваем в местах, помеченных прямоугольником и соединяем с соответствующими контактными площадками посредством пайки.

 

 

Разработка конструкции ФЯ

Разработка конструкции ФЯ

 

В качестве конструкции ФЯ принимает ФЯ на металлической раме. Жесткость рамки обеспечивается наружными 1 и внутренними 2 поперечными ребрами жесткости. Окно 3 в верхней части рамки предназначено для монтажа на печатной плате навесных элементов. Окно 4 – для соединения проволочных выводов МСБ с контактными площадками печатной платы. В зоне 5 располагаются контактные площадки внешних электрических соединений ФЯ. Под номером 6 показана планка и устанавливаемая на неё базовая плата МСБ под номером 7. Детализированный чертёж представлен в приложении Р-402.468759.008-01.

 

Рис.7 Эскиз конструкции рамки ФЯ

 

Определим геометрические размеры ФЯ

 

,

где - высота МСБ, - высота планки (), - толщина диэлектрической прокладки, - толщина печатной платы,  - высота паек на печатной плате, суммарная толщина клеевых соединений, высота воздушных зазоров.

Высота МСБ

 

,

 

где - толщина подложки, - максимальная высота компонента на подложке.

 

, высота .

 

Толщина диэлектрической подложки между рамкой и печатной платой , выберем , толщину печатной платы , высота паек , толщина клеевой прослойки  на каждую сторону.

Толщину воздушного прослоя выбираем , по 1.5мм на каждую сторону.

Получаем

Расчёт длины и ширины рамки производится по данным геометрических размеров и количества МСБ, размещённых на рамке. По размерам и числу МСБ, устанавливаемых на одной планке, находят размеры планок, к которым добавляют размеры других элементов рамки.

ФЯ содержит 3 планки МСБ расположены длинной стороной (60мм) поперек планки.

Ширина планки:

где  - длина МСБ.

Длина планки:

где - число МСБ на планке;

 -ширина подложки МСБ;

 - расстояние между МСБ и горизонтальными ребрами жесткости рамки, примем .

Получим

Типовые размеры основных элементов ФЯ: ширина внешних рёбер жесткости 3мм, продольных внешних и внутренних – 5мм, ширина окна для навесных элементов 10мм, ширина окна для пайки выводов МСБ – 5мм, ширина зоны внешних соединений – 5мм.

Определим размеры ФЯ:

 

 

Ширина ФЯ

 

 

Сборочный чертёж в приложении Р-402.468759.008 СБ.

Считаем массу:

 

 

где  - объем ФЯ,

- плотность материала ФЯ для алюминиевого сплава В95 (Л1, табл П 9.2). За счёт наличия окон и пустот, расчёт объёма ФЯ будет приблизительным.

Рассчитаем объём ФЯ путём складывания объёмов отдельных деталей конструкции ФЯ:

 

 

Общий вес ФЯ

 

 

Оценка вибропрочности ФЯ

 

Для оценки вибропрочности ФЯ выберем наихудшие условия транспортировки или эксплуатации. Проектируемое устройство может использоваться как в переносных так и стационарных системах, транспортировка осуществляется авиатранспортом.

Авиатранспорт имеет значения перегрузки в диапазоне 0.1…20 и частоту вибрации 5…2000Гц. Вес ячейки 0.4022Н.

Рамка ФЯ выполнена из алюминиевого сплава В95 с константами упругости , коэффициент Пуассона , толщина планок рамки 0.8мм.

Печатная плата крепится к рамке с помощью антивибрационного компаунда КТ-102 по всей поверхности прилегания. Материал платы – стеклотекстолит СФ-2Н-50-0,8, толщиной, соответственно, 0.8мм и , .

Влияние подложек на жесткость ФЯ несущественно, ими пренебрегаем.

Произведем оценку наиболее опасной при воздействии вибрации частоты механического резонанса ФЯ, путём выбора сечений с заведомо малым моментом инерции сечения.

Рассчитаем вибропрочность для поперечного сечения А-А, состоящего из элементарных прямоугольных фигур.

Зная цилиндрическую жесткость ФЯ: , определим жесткость печатной платы:

 

 

Для оценки жесткости рамки  вычислим момент инерции сечения А-А. Для этого найдём моменты инерций сечений фрагментов:

 

 

Для определения момента инерции сечения А-А необходимо предварительно определить координату  центра тяжести сечения А-А и расстояния  между центром тяжести сечения А-А и центрами тяжести фрагментов 1, 2, 3.

 

 

Учитываем что фрагменты встречаются несколько раз.

 

 

Момент инерции сечения А-А:

 

 

Цилиндрическая жесткость рамки ФЯ

 

,

 

где  - определяющий линейный размер, длина сечения.

Получаем жесткость на изгиб .

Для определения  найдем массу единицы площади ФЯ

 

 

Коэффициент закрепления ФЯ при

 

 

Частота механического резонанса  ФЯ будет равна

 

Проверим вибропрочность, принимаем коэффициент динамичности ФЯ , тогда из графика на рис.8 для  найдем допускаемую перегрузку ФЯ.

Допустимая перегрузка ФЯ ›100, что выше значения заданного в ТЗ равное 20.

Теперь проведём расчёт вибропрочности для сечения B-B. Представим сечение В-В состоящим из двух прямоугольных фигур.

Проведём расчёт вибропрочности сечения В-В аналогично сечению А-А

 

 

Найдём моменты инерций сечений фрагментов:

 

 

Центр тяжести фрагмента сечения В-В

 

 

Момент инерции сечения В-В:

 

Цилиндрическая жесткость рамки ФЯ

 

,

 

где  - определяющий размер, длина сечения..

Получаем жесткость на изгиб .

Для определения  найдем массу единицы площади ФЯ

 

 

Коэффициент закрепления ФЯ при

 

 

Частота механического резонанса  ФЯ будет равна

 

 

Проверим вибропрочность, принимаем коэффициент динамичности ФЯ , тогда из графика на рис.8 для  найдем допускаемую перегрузку ФЯ, ›100, что выше значения заданного в ТЗ равное 20.

Оценка теплового режима

Расчёт теплового режима

 

Плата МСБ имеющая размеры 0,060x0,048x0,0025 м3 припаяна к технологической планке помещённая в корпус с размерами 0,13х0,056x0,006м3.

Рассеиваемая мощность блока равняется .

Температура окружающей среды tср=(-40…+80)°С.

Определяем площадь внешней поверхности корпуса микроблока:

 

 

Определяющий размер корпуса:

 

.

Задаемся перегревом корпуса Δt = 10°С относительно температуры среды и определяем среднее значение температуры:

 

°С

 

По номограммам на рис.12 находим конвективный коэффициент теплопередачи  и коэффициент теплопередачи излучением от корпуса к среде

Вычислим суммарную тепловую проводимость между корпусом и средой в первом приближении:

 

 

Расчетное значение перегрева корпуса:

 

°С

 

Будем считать расчёт законченным, если выполнится условие . В первом приближении  значит повторяем расчёт, приняв за .

Определяем среднее значение температуры во втором приближении

 

°С

По номограммам находим конвективный коэффициент теплопередачи  и коэффициент теплопередачи излучением от корпуса к среде

 

 

Вычислим суммарную тепловую проводимость во втором приближении

 

 

Перегрева корпуса во втором приближении

 

 

Во втором приближении  значит повторяем расчёт, приняв за .

Определяем среднее значение температуры в третьем приближении

 

°С

 

По номограммам находим конвективный коэффициент теплопередачи  и коэффициент теплопередачи излучением от корпуса к среде

 

Вычислим суммарную тепловую проводимость в третьем приближении

 

 

Перегрева корпуса в третьем приближении

 

 

Во третьем приближении  значит считаем что перегрев корпуса .

Следовательно, среднеповерхностная температура корпуса микроблока:

 

°С

 

Определяем поверхность нагретой зоны:

0,060x0,048x0,0025 0,13х0,056x0,006м3

 

.

 

Рассчитываем средний зазор  между поверхностью нагретой зоны и корпусом:

 

.

 

Определяем коэффициент теплопередачи кондукцией через воздушный зазор между нагретой зоной и корпусом.

,

 

где:

 - коэффициент теплопроводности воздуха.

Практика показывает, что коэффициент теплопередачи излучением от нагретой зоны к корпусу мало зависит от размеров нагретой зоны и корпуса и составляет приблизительно .

Определяем тепловую проводимость технологической пластины , на которых лежит МСБ. Без учета теплового сопротивления контакта между МСБ и технологической пластины определяется только материалом (сплав ВТ1-0, ) и геометрическими размерами.

 

,

 

Определим тепловую проводимость между нагретой зоной и корпусом:

 

.

 

Рассчитываем среднеповерхностную температуру нагретой зоны:

 

°С.

 

Определяем температуру в центре нагретой зоны . Экспериментально установлено, что для конструкций микроблоков, выполненных на металлических ФЯ, перегрев в центре нагретой зоны не превышает 2…5°С. Поэтому принимаем

 

°С.

 

Литература

 

1. Основы конструирования и технологии РЭС: Учебное пособие для курсового проектирования / Авт.: В.Ф. Борисов, А.А. Мухин, В.В. Чермошенский и др. – М.: Изд-во МАИ, 2000.

3. Монтаж микроэлектронной аппаратуры. Г.Я. Гуськов, Г.А. Блинов, А.А. Газаров.

4. Методические указания к практическим занятиям по курсу «Конструирование и технология производства РЭА».В.С.Лукин, В.В. Чермошенский, Т.Л. Воробьёва. МАИ, 1981.

5. Сайты радиоэлектронных компонентов: www.chipdip.ru, www.bmgplus.ru, www.chipfind.ru

 

Приложение

Разработка конструкции МСБ

Анализ электрической схемы МСБ

 

Проектируемая схема формирователя опорной частоты в микроэлектронном исполнении, предназначена для использования в различных связных, телевизионных, навигационных комплексах.

Схема питается от системы, в которую устанавливается.

В схему формирователя включен кварцевый генератор с цепью обвязки. Схема имеет два идентичных выхода, для возможности подключения к ней двух потребителей опорной частоты, как правило, это приёмник и вычислительная плата.

При подключении питания необходимо соблюдать полярность.

Для питания МСБ необходимо напряжение 5 В, которое используется для питания кварцевого генератора, и питания транзисторов в выходной цепи.

В схеме используются высокочастотные транзисторы, включенные по схеме с общим коллектором (эммитерный повторитель), для того чтобы развязать по сопротивлениям выход схемы и сопротивление нагрузки кварцевого генератора.

Исходя из номиналов резисторов, целесообразно выполнить резисторы R1, R2 и R3, R4, R9, R10 навесными элементами SMD. Это позволит применять один резистивный материал для выполнения остальных резисторов, т.е. применять массовое производство плат.

Номиналы конденсаторов больше номиналов конденсаторов выполняемых в тонкоплёночном виде, поэтому конденсаторы тоже применим навесные SMD чипы, ниже подтвердим выбор расчётом.

Высокочастотные транзисторы выполняются в корпусном варианте, т. к. бескорпусные аналогичные транзисторы имеют более высокий коэффициент шумов и более высокую нестабильность частотных характеристик.

Кварцевый генератор имеет свой собственный корпус и устанавливается в корпус микросборки. Генератор имеет керамический SMD корпус 3,2 x 5 мм. Применение корпусного генератора обусловлено более высокой стабильностью выходной частоты. Условия эксплуатации генератора удовлетворяют техническому заданию.